专利名称：一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器及其制作方法，属于微电 子机械系统(MEMS)领域。
背景技术：
随着微加工技术的不断发展，基于MEMS工艺的微型加热器已开始在气体探测，环 境监控和红外光源等领域广泛应用。由于应用的不断推广和深入，对微型加热器的低功耗、 低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。如何制作出低功耗高性能的加热器一直是本领 域内技术人员追求的目标。目前基于硅衬底的微型加热器从支撑膜结构来分，主要有两种类型，分别是封闭 膜式(closed membrane type)禾口悬膜式(suspended membrane type)。封闭膜式微型 加热器的支撑膜边界都与衬底框架相连，通过背面体硅加工技术腐蚀衬底硅实现加热膜 区的释放，如 M. Gall，The Si-planar-pellistor :alow_power pellistor sensor in Si thin-film technology, Sensors and Actuators B，Vol. 4 (1991)，pp. 533-538。悬膜式微 型加热器通常利用数条长条形支撑悬臂梁把中心加热膜区与衬底框架相连，利用正面体硅 力口工技术实现力口热膜区的释放，如 Michael Gaitan, et. al，Micro—hotplate devices and methods for theirfabrication,US Patent NO. 5，464，966。随着十多年的发展，为了满足 不同需求，封闭膜式的微型加热器和悬膜式的微型加热器的加热膜区出现了很多种形状， 如圆形，矩形，长条形，或者多边形等。但不管是哪一种形状，这些加热膜区都是平面型的， 是一种二维结构。然而在某些领域内应用时这种平面式加热膜区的微型加热器却有一些不足。比 如，作为红外光源时，平面式加热器的热量分散，受气流的影响较大。用于催化燃烧原理的 气体传感器时，催化剂在平面式加热器的中心膜区的覆盖率不高，且加热效率较低，影响了 传感器的灵敏度。因此，如何设计一种低功耗、高加热效率和高性能的加热器是解决这些问 题的关键。本发明拟提供一种利用硅各向异性湿法腐蚀工艺制作的具有螺管式加热电阻的 三维微型加热器，基于喷胶光刻的剥离工艺解决了在凹槽内部制作加热电阻丝的难题。所 制作的微型加热器由于其独特的三维结构能够实现环形加热，加热效率高，或将解决平面 型微型加热器在某些应用领域的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺管式三维微型加热器及其制作方法，从而解决目前 平面型微型加热器在某些应用领域的局限性。本发明利用硅各向异性湿法腐蚀液腐蚀衬底硅形成横截面呈“V”字形或倒梯形结 构的凹槽，通过在该凹槽内生长或沉积氧化硅和氮化硅从而形成横截面呈“V”字形或倒梯 形结构的凹槽形加热区支撑膜。同时利用硅各向异性腐蚀液对不同晶向腐蚀速率的差异性制作了与硅<100>晶向呈一定夹角(-40 +40)的上电阻丝支撑梁(如图1所示)。通过 基于喷胶光刻的剥离工艺(lift-off)在上加热电阻丝支撑梁和加热区支撑膜上分别制作 了上加热电阻丝和下加热电阻丝。上，下加热电阻丝相连形成一个嵌入在加热区支撑膜内 的螺管式加热电阻并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连。最后通过硅各向异 性湿法腐蚀液腐蚀衬底硅释放结构，使得加热区支撑膜及嵌入其中的螺管式加热电阻在支 撑悬梁的支撑下悬浮于衬底硅上。本发明只需要三块光刻板就能实现所述三维微型加热器的制作，凹槽及薄膜释放 均采用硅各向异性湿法腐蚀，因此工艺步骤简单明了，成本低廉，且可控性好。综上所述本发明提供的一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的结构如图 2(a)所示，包括衬底框架1，上加热电阻丝2，下加热电阻丝3，上加热电阻丝支撑梁4，加 热区支撑膜5，支撑悬梁6，引线7，电极8和隔热腔体9，其结构特征为1.横截面呈“V”字形或倒梯形的加热区支撑膜通过支撑悬梁与衬底框架相连，上 加热电阻丝支撑梁横跨于加热区支撑膜上，并且与硅<100>晶向成-40 +40度的夹角。
2.上加热电阻丝排布在上加热电阻丝支撑梁上，下加热电阻丝以折线形式排布在 加热区支撑膜的内部，上、下加热电阻丝相连形成一个螺管式结构的加热电阻。3.两根引线排布在任意两根支撑悬梁上，连接螺管式结构的加热电阻和衬底框架 上的电极。4.加热区支撑膜和支撑悬梁的下方是硅各向异性湿法腐蚀形成的隔热腔体，加热 区支撑膜由支撑悬梁支撑悬浮在衬底硅上。本发明的另一个目的在于提供一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的制 作方法，其具体制作步骤如下1.衬底选择。衬底仅限于(100)面的硅片。2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，同时定义用于形成上加热电阻丝支 撑梁的氧化硅层。首先在N型或P型(100)硅片的表面上采用热氧化、低压化学气相沉积 (LPCVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法制作一层厚度在0. 1 3. 0微米之间 的氧化硅薄膜。然后进行光刻制作出窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE) 或离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口，同时定义用于形成 上加热电阻丝支撑梁的氧化硅层的形状，如图3(a)所示。3.制作横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽，同时释放用于形成上加热电阻丝 支撑梁的氧化硅层。在氧化硅的保护下利用硅各向异性腐蚀液通过步骤2形成的腐蚀窗口 在硅片上腐蚀出横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽，凹槽深度在5 150微米之间，如 图3 (b)所示。腐蚀液有多种选择，比如Κ0Η(氢氧化钾)，TMAH(四甲基氢氧化铵)，或者 EPff (乙二胺，邻苯二酚和水)等。4.制作加热区支撑膜和上加热电阻丝支撑梁。通过热氧化的方法在横截面呈“V” 字形或倒梯形结构的凹槽内生长一层氧化硅，厚度在0. 2 1. 0微米之间，再通过低压化学 气相沉积(LPCVD)的方法在凹槽内的氧化硅和上加热电阻丝支撑梁的氧化硅上沉积一层 氮化硅，厚度在0. 2 1. 0微米之间，然后可以再次通过低压化学气相沉积的方法依次沉积 氧化硅和氮化硅，形成多层复合膜，如图3(c)所示。复合膜的总层数为2 8层，总厚度在 0.4 6.0微米之间。
5.制作上、下加热电阻丝，引线和电极。在步骤4的多层复合膜上喷胶光刻(光刻 胶厚度为ι 10微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0. 2 2. 0 微米厚的钛钼，最后丙酮去胶后就形成了加热电阻丝，引线和电极，如图3(d)所示。6.制作加热区支撑膜和支撑悬梁的释放窗口。根据支撑悬梁的方向不同可以分为 两类一类是支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在士30度以内，其制作方法是正 面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应 离子刻蚀(RIE)或离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄 膜释放窗口。另一类是支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在士 15度以内，其制作方 法是第一步，正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的 保护下利用反应离子刻蚀(RIE)或离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化 硅复合膜；第二步，利用深反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀衬底硅，刻蚀深度要大于支撑悬 梁宽度的0. 7倍；最后去胶后就形成薄膜释放窗口。7.加热区支撑膜和支撑悬梁的释放。利用各向异性腐蚀液通过薄膜释放窗口腐 蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体，如图3(e)所示。腐蚀液有多种 选择，比如Κ0Η(氢氧化钾)，TMAH (四甲基氢氧化铵)，或者EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)寸。相对传统的基于MEMS工艺的平面式二维微型加热器来说，本发明提供的一种具 有螺管式加热电阻的三维微型加热器及其制作方法的主要特点如下1.上、下加热电阻丝相连形成一个螺管式加热电阻与传统的平面式加热电阻在结 构上有明显的区别，前者是一个三维结构而后者只是一种二维结构，这种螺管式加热电阻 能够实现环形加热，加热效率更高。2.加热电阻嵌入在凹槽形的加热器支撑膜内，减小了热量散失，可以有效降低加 热器的功耗。3.本发明所述的加热器基于(100)硅片利用各向异性释放腐蚀制作，不仅成本低 廉，而且工艺的可控性高，也易于阵列化和批量生产。4.本发明所述加热器的优点还体现在不同领域的应用中。用作红外光源时，嵌入 的加热电阻丝能够形成热量集中的光源，受气流影响小，稳定性好，抗干扰的能力强。用于 生化传感领域时，催化剂可以植入到凹槽结构中，实现对催化剂的环形加热，效率更高，利 于提高传感器的性能。
图1为本发明提供的具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的加热区域的俯视 图。图2为本发明提供的具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的立体结构示意图， 其中(a)为两支撑悬梁的具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的立体结构示意图，(b) 为该加热器的中心加热区域的放大图。图3为本发明提供的具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的主要流程示意图。 其中，(a)为制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，(b)为制作横截面“V”字形或倒梯形 结构的凹槽，(c)为制作加热区支撑膜和上加热电阻丝支撑梁，(d)为制作上、下加热电阻丝、引线和电极，(e)为释放加热区支撑膜和支撑悬梁。图4为本发明实施例2中的具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的立体结构 示意图，其中(a)为四支撑悬梁的具有螺管式加热电阻的三维微型加热器的立体结构示意 图，(b)为该加热器的中心加热区域的放大图。图中1为衬底框架，2为上加热电阻丝，3为下加热电阻丝，4为上加热电阻丝支撑 梁，5为加热区支撑膜，6为支撑悬梁，7为引线，8为电极和9为隔热腔体。
具体实施例方式实施例1 本实施例的结构示意图参见图2(a)所示，具体制作方法如下1.衬底选择选择N型(100)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率3-8 Ω · cm,硅片 厚度为350 士 10微米，切边的角度误差< 1%。2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，同时定义用于形成上加热电阻丝支 撑梁的氧化硅层首先利用热氧化的方法在硅片表面生长一层厚度为1.0微米的氧化硅薄 膜。然后进行正面光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻 蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口，同时定义出用于形成上加热电阻丝支撑梁的氧化硅 层的形状。3.制作横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽，同时释放用于形成上加热电阻丝 支撑梁的氧化硅层在氧化硅的保护下利用KOH腐蚀液通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片 上腐蚀出倒台面形的凹槽，凹槽深度约为30微米。4.制作加热区支撑膜和上加热电阻丝支撑梁先利用热氧化的方法生长一层厚 度为0. 5微米的氧化硅再利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法沉积一层厚度为0. 3微米 的氮化硅。5.制作上、下加热电阻丝，引线和电极喷胶光刻(光刻胶厚度为4微米)定义出 加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛钼，最后丙酮去胶后形成了 加热电阻丝，引线和电极。6.制作加热区支撑膜和支撑悬梁的释窗口 第一步，正面光刻定义出用于释放加 热区支撑膜和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam) 彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜；第二步，利用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀衬底 硅，刻蚀深度要大于支撑悬梁宽度的0. 7倍；最后去胶后就形成薄膜释放窗口。7.加热区支撑膜和支撑悬梁的释放利用TMAH腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬 底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体。实施例2:本实施例的结构示意图参见图4(a)所示，具体制作方法如下1.衬底选择选择P型(100)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率3-8 Ω · cm,硅片 厚度为350 士 10微米，切边的角度误差< 1%。2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，同时定义用于形成上加热电阻丝支 撑梁的氧化硅层首先利用热氧化的方法在硅片表面生长一层厚度为1. 0微米的氧化硅薄 膜。然后进行正面光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口，同时定义出用于形成上加热电阻丝支撑梁的氧化硅 层的形状。3.制作横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽，同时释放用于形成上加热电阻丝 支撑梁的氧化硅层在氧化硅的保护下利用KOH腐蚀液通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片 上腐蚀出倒台面形的凹槽，凹槽深度约为30微米。4.制作加热区支撑膜和上加热电阻丝支撑梁先利用热氧化的方法生长一层厚 度为0. 3微米的氧化硅再利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法沉积一层厚度为0. 6微米 的氮化硅。5.制作上、下加热电阻丝，引线和电极喷胶光刻(光刻胶厚度为4微米)定义出 加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛钼，最后丙酮去胶后形成了 加热电阻丝，引线和电极。6.制作加热区支撑膜和支撑悬梁的释窗口 正面光刻定义出用于释放加热区支 撑膜和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻 蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。7.加热区支撑膜和支撑悬梁的释放利用TMAH腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬 底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体。
权利要求
一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器，其特征在于与硅<100>晶向成 40～+40度夹角的上加热电阻丝支撑梁横跨于横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽形加热区支撑膜上，加热区支撑膜通过支撑悬梁与衬底框架相连；排布在上加热电阻丝支撑梁上的上加热电阻丝和排布在加热区支撑膜内的下加热电阻丝相连形成嵌入在加热区支撑膜内的螺管式加热电阻并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连；加热区支撑膜和支撑悬梁下方是采用硅各向异性湿法腐蚀形成的隔热腔体。
2.按照权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于上加热电阻丝支撑梁和加热区 支撑膜由氧化硅和氮化硅的复合膜组成，单层膜厚为0. 2 1. 0微米，总层数为2 8层， 总厚度在0.4 6.0微米。
3.按照权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于支撑悬梁的一端与衬底框架相 连，另一端与凹槽形的加热区支撑膜相连，支撑悬梁以加热区支撑膜为中心对称排布。
4.按照权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于引线排布在任意两个支撑悬梁 上，并连接螺管式加热电阻和衬底框架上的电极。
5.按照权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于隔热腔体的横截面是“V”字形 或倒梯形的结构，位于加热区支撑膜和支撑悬梁的下方，使得加热区支撑膜及嵌入其中的 螺管式加热电阻在支撑悬梁的支撑下悬浮于衬底硅之上。
6.按照权利要求1或3所述的三维微型加热器，其特征在于所述的支撑悬梁为二根或 四根。
7.制作如权利要求1-5中任一项所述的三维微型加热器的方法，其特征在于只需三块 光刻板实现所述的三维微型加热器制作，具体制作的步骤为(a)衬底选择，衬底仅限于(100)面的硅片；(b)制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，同时定义用于形成上加热电阻丝支撑梁 的氧化硅层，首先在N型或P型(100)硅片的表面上采用热氧化、低压化学气相沉积或等离 子增强化学气相沉积的方法制作一层氧化硅薄膜，然后进行光刻制作出窗口图形，在光刻 胶的保护下利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口，同时 定义用于形成上加热电阻丝支撑梁的氧化硅层的形状；(c)制作横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽，同时释放用于形成上加热电阻丝支 撑梁的氧化硅层，在氧化硅的保护下利用硅各向异性腐蚀液通过步骤(b)形成的腐蚀窗 口，在硅片上腐蚀出横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽；(d)制作加热区支撑膜和上加热电阻丝支撑梁，通过热氧化的方法在横截面呈“V”字 形或倒梯形结构的凹槽内生长一层氧化硅；再通过低压化学气相沉积的方法在凹槽内的氧 化硅和上加热电阻丝支撑梁的氧化硅上沉积一层氮化硅；然后可以再次通过低压化学气相 沉积的方法依次沉积氧化硅和氮化硅，形成多层复合膜；(e)制作上、下加热电阻丝，引线和电极，在步骤d制作的多层复合膜上喷光刻胶且光 刻，定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层钛钼，最后用丙酮去胶后就形成 了加热电阻丝，引线和电极；(f)制作加热区支撑膜和支撑悬梁的释放窗口，根据支撑悬梁的方向不同可以分为两 类一类是支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在士30度以内，其制作方法是正面 光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口 ；另一类 是支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在士 15度以内，其制作方法是第一步，正面光 刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子 刻蚀或离子束刻蚀彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，第二步，利用深反应离子刻蚀 技术刻蚀衬底硅，刻蚀深度要大于支撑悬梁宽度的0. 7倍，最后去胶后就形成薄膜释放窗 Π ；(g)加热区支撑膜和支撑悬梁的释放，利用各向异性腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬 底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体。
8.按照权利要求7所述的三维微型加热器的制作方法，其特征在于硅各向异性腐蚀所 采用的腐蚀液为KOH，TMAH,或者EPW。
9.按照权利要求7所述的制作方法，其特征在于①步骤b所述的氧化硅薄膜厚度为0.1-3. 0微米；②步骤d中在氧化硅上沉积氮化硅厚度在0.2-1. 0 μ m之间；③步骤d中在V字形或倒梯形结构的凹槽内生长一层氧化硅厚度为0.2-1. 0 μ m ；④步骤e中所述的光刻胶厚度为1-10μ m，溅射的钛钼层厚度为0. 2-2 μ m ；⑤步骤e中形成的凹槽深度在5-150μ m之间。
全文摘要
本发明涉及一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器及其制作方法，其特征在于横截面呈“V”字形或倒梯形结构的凹槽形加热区支撑膜通过支撑悬梁与衬底框架相连；上加热电阻丝和下加热电阻丝相连形成嵌入在加热区支撑膜内的螺管式加热电阻并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连；加热区支撑膜及嵌入其中的螺管式加热电阻由支撑悬梁支撑悬浮于衬底硅之上。本发明提供的三维微型加热器的加热电阻呈螺管式结构且嵌入在加热区支撑膜内，能够实现环形加热，加热效率高。这种三维微型加热器特别适合在红外光源及传感领域的应用。
文档编号H05B3/06GK101938862SQ20101027852
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者李铁, 王跃林, 许磊 申请人:上海芯敏微系统技术有限公司